Die Entfernung von Mikroverunreinigungen aus Wasser ist eine der größten globalen Herausforderungen. Ein Großteil der Mikroverunreinigungen besteht aus endokrinen Disruptoren, die grundlegende menschliche Funktionen wie Verhaltensentwicklung und Fruchtbarkeit beeinträchtigen. Steroidhormone führen zum Beispiel zur Geschlechtsumwandlung von männlichen Fischen und gefährden die Fortpflanzung. Hormone gelangen auf die unterschiedlichsten Wege in unser Wasser, sie werden durch den Menschen auf natürlichem Weg ausgeschieden und werden in der Landwirtschaft sowie für medizinische Therapien verwendet.
Wissenschaftlerinnen am IOM im Forschungsbereich „Oberflächen poröser Membranfilter“ entwickelten eine Methode zur Beschichtung von Polymermembranen mit hochaktivem TiO2. Mit dieser porösen photokatalytisch aktiven Membran konnten erfolgreich steroide Hormone in Wasser in einer kontinuierlichen single-pass Betriebsweise abgebaut werden. Die Abbauversuche in einem photokatalytischen Durchflussreaktor wurden bei einem langjährigem Kooperationspartner vom Institute for Advanced Membrane Technology (IAMT) am Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Andrea Iris Schäfer und M.Sc. Shabnam Lotfi durchgeführt.
Durch die nanoporöse Struktur der photokatalytischen Membran ist der Kontakt zwischen Hormon und Katalysator erheblich verbessert, sodass auch sehr geringe, aber umweltrelevante, Konzentrationen im ng l‑1 Bereich effektiv abgebaut werden. Der Einfluss der Wasserqualität und Betriebsparameter wie pH-Wert, Temperatur, Flussgeschwindigkeiten, Lichtintensität und Hormonkonzentration wurden umfassend untersucht. Elektrostatische Anziehung bzw. Abstoßung als auch die Adsorption der Hormone an die Membran besitzen einen großen Einfluss auf die Effektivität des Abbaus von steroiden Hormonen. In der Studie konnte ein fast vollständiger Abbau von Estradiol (100 ng l-1, Entfernung zu 94 %) in nur einem Durchlauf erreicht werden (60 l m-2 h-1). Dr. Kristina Fischer und Dr. Agnes Schulze vom IOM erwarten durch eine Anpassung der Porenstruktur der Membran eine weitere Steigerung der Effektivität und Erkenntnisse zum Abbau von Hormonen in einer kontinuierlichen single-pass Betriebsweise.
Die Ergebnisse der Studie wurden in dem renommierten Journal Nature Nanotechnology veröffentlicht. Einzelheiten und ausführliche Informationen können in der Publikation nachgelesen werden:
Lotfi, S., Fischer, K., Schulze, A., & Schäfer, A. I. (2022). Photocatalytic degradation of steroid hormone micropollutants by TiO2-coated polyethersulfone membranes in a continuous flow-through process. Nature Nanotechnology, 17(4), 417-423. DOI:10.1038/s41565-022-01074-8
Weiterhin bietet folgende Veröffentlichung im Nature Nanotechnology Journal unter der Rubrik News & Views eine Zusammenfassung und Überblick zur Publikation:
Giorno, L. (2022). Membranes that filter and destroy pollutants. Nature Nanotechnology, 17(4), 334-335. DOI:10.1038/s41565-021-01064-2